（电磁场与微波技术专业论文）北斗卫星和伪卫星组合定位系统研究.pdf

蔼北工业天学鞭l - 学位诧义 托斗卫星和伪卫攫缀台定位系统磷究 摘要 北斗双鼹导航定位通信系统是我国自行设计研制的卫星导航系统。本文是对 该系统的改进型研究，提出了北斗卫星和伪卫星技术相结合的实施方案，实现了 海精度鳃区蠛无添定往，掰徽工俸对开裾伪卫星静皮糟领壤帮j t 每鼹星定位导靛 系统的研究熙有很大的意义。首先选择斑位算法，分剐研究和仿崴实现了伪距测 量单点定位算法和载波相位定位算法以及它们的差分算法，仿真结果良好。从伪 ! 登蓬信号格式军i 接收梳动惫范匿 罄发酸避了远近场瓣越翡彩醺。磷究了锈至星骞 卫星精确时间同步。通过对g d o p 、卫慰间及与用户接收机的共视性、抗干扰憔 等几个约束条件的分析，对伪卫星基站滋行了合理逡址帮优化匆筠。设计了伪翌 蓬翦疆释毫路示意匿，对嚣部分提盘了程靛要求稆设计建议，荠瓣骥有双星定使 系统接收机用于组合系统时做了功能和硬件上的调燃。分析了系统中的主要误麓 源及消减措施，大致分析了定位精度，并分析各种繁内带外射频予挠，提接了预 蒴掊施。 荚键词： 伪卫星 北斗取星定位系统卫怒定谴算法镄卫星基站设诗粒蠢局 a b s t r a c t d u a l - s a t e l l i t ep o s i t i o n i n gs y s t e mw a sd e s i g n e da n dc o n t r o l l e db yo u rc o u n t r y t h ei n t e g r a t e dp o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do nd u a l s a t e l l i t ea n dp e s u d o l i t et e c h n o l o g y t o i m p r o v e d u a l s a t e l l i t e p e r f o r m a n c e i sr e s e a r c h e d t h em o d eo fn a v i g a t i o n p r o c e s s i n gu n i ti n t h er e c e i v e r si sp a s s i v e ，a n dt h e p o s i t i o n i n gp r e c i s i o n w a s i m p r o v e d i nt h i si m p r o v e di n t e g r a t e dp o s f f i o n i n gs y s t e m t h i sr e s e a r c he n l a r g e dt h ea p p l i e d f i e l do f p e s u d o l i t es y s t e ma n da d v a n c e dt h er e s e a r c hi nd u a l - s a t e l l i t es y s t e m t h en e wi n t e g r a t e ds y s t e ms c h e m ei sp l a n e do u t p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m sa r e c o n s t r u c t e d c o d e - p h a s ep s e u d o r a n g ea l g o r i t h m a n d c a r r i e r - p h a s e d i f f e r e n t i a l n a v i g a t i o na l g o r i t h m a r ea n a l y z e di nd e t a i l sa n dc a r r i e do u ti nc o m p u t e r t h er e s u l to f s i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e sw e l l s o m e p r o b l e m s s u c ha sf a r - n e a rf i e l d a f f e c t i o n , s y n c h r o n i z a t i o n b e t w e e n p s e u d o l i t ea n ds a t e l l i t ee r e a f f e c to b v i o u s l y t h ed i s s e r t a t i o nt r i e st oe l i m i n a t et h e s e a f f e c t i o ni nd e t a i l s ：f a r - n e a rf i e l d p r o b l e m c a nb er e l i e v e d b yc h a n g i n g t h e p e s u d o l i t e ss i g n a l f o r m a ta n d i n c r e a s i n g t h e d y n a m i cr a n g e o f r e c e i v e r s ； d u a l s a t e l l i t e sd u a ld i r e c t i o n st i m i n gt e c h n o l o g ya n da t o m i ct i m e ra r ec o n t r i b u t i o n s t oe n h a n c es y n c h r o n i z a t i o n ，t h ec o n s t r a i n t so ft h el a y o u ta n dl o c a t i o no f p e s u d o l i t e s t a t i o n s ，s u c ha sg d o p , p r o o f - i n t e r f e r ee t c ，a r ea l s of o c u s e di n p e s u d o l i t es t a t i o n h a r d w a r ei sd e s i g n e da n ds o m ea d v i c e sa r es u p p l i e dt ot h ei m p r o v e m e n to f r e c e i v e r s t h em o s ti m p o r tp e r f o r m a n c et oe v a l u a t ea p o s i t i o na n dn a v i g a t i o ns y s t e mi s p r e c i s i o n t h ep o s i t i o np r e c i s i o ni sa l s od i s c u s s e da p p r o x i m a t e l yb yt h ea n a l y s e so f e r r o ra n dg d o ee f f e c t i v em e t h o d st or e d u c ee r r o ra n di n t e r f e r e n c ea r e s u g g e s t e d k e y w o r d s ： p s e u d o l i t ed u a l s a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m p s e u d o l i t e s d e s i g n a n d l a y o u t i i 第一章研究背景 1 1 导航概论及常用方法 导航源于海洋船舶航行，初始形式是罗盘引航和天文导航。“导航”的传统定 义为：引导交通工具或其它运动物体从一个位置移动到另一个位置的过程。导航 定位是保障人类交通、生活及军事活动的必要手段，在现代社会中发挥着越来越 大的作用。现代导航不仅要解决运动体移动的目的性，更要解决其运动过程的安 全性和有效性。 目前广泛使用的导航方法有下列5 种 1 】： ( 1 ) 航标方法：即目视方法，借助于航标或参照物把运动物体从一个地点引导 到另一个地点。在飞机进场着陆时，这种方法仍在使用，经验性很强。 ( 2 ) 航位推算法；通过推算一系列速度增量来确定位置。目前，航位推算法仍 广泛使用在航海、航空和车辆自动定位系统中。航位推算导航技术克服了航标方 法的缺点，不受天气、地理条件的限制，保密性强，是一种自主式导航。但随时 间的推移，其位置累积误差会越来越大。惯性导航系统在原理上也是采用这种方 法但人们常说的航位推算大都指采用方位仪和速度表。 ( 3 ) 天文导航：通过对天体精确定时观测来定位的一种方法，目前仍广泛用在 航海和航天中。缺点是误差累积及受时问和气象条件的限制，定位时间长，操作 计算比较复杂。 ( 4 ) 惯性导航( i n s ，l a e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ) ；通过积分安装在稳定平台f 物理 的或数学的) 上的加速度计的加速度输出来确定载体的位置和速度。应用领域非常 广泛可用于空间、航空、陆地、海上和水下。但是i n s 的漂移误差会随时间累 积。因此，目前i n s 常常和其它导航系统组合应用。 ( 5 ) 无线电导航：无线电导航系统( r a d i on a v i g a t i o n s y s t e m ) 是建立一系列的 导航无线电信号发射台，用户接收无线电导航信号，根据无线电被从发射台天线 至4 接收机天线的传输时间或信号的频率、相位等参数的变化，通过特定的方法来 璧苎王些奎兰堡点2 ：g ：墼，。一。，。一。氆耋墨量耋堡墨堡篁堡至墼：l k 诗算窭自己熬霞萋，扶瑟蜜瑷导蕊定豫。包括建多黪麓效应溅速、羯霍这测簿耪 测方位、用导航台定位等。由于无线电定位设备利用无线电波测擞目标的坐标， 工作与气候祭件无关，是程复杂气候及熊见度不良情况下很有效的一种导航方法。 无线毫嚣靛系统大约露1 0 0 多耱。按照发瓣掇躐转发器掰在瓣经置，无线激 睁航的发展主要经历了陆熬导航系统和朦基导航系统。陆基系统所能提供的导航 信号覆盖范围和所产生的定位精度两者往往不可兼得。目前使用的远程陆基无线 淑导藏系统圭豢毒爹兰c ，爽米翅等。罗兰c 是工箨簇率秀l ( 0 k h z 熬菰捧稳德黢 曲线定位系统。电波沿直线传播而且要穿透电离层，考虑到地球曲率和地形起伏， 一个导航台只能覆盖很小的区域。奥米伽的是工作频率为l ( k i - i z 发右的相位双曲 线定谴系统。瓣受频率羝，王终波长长，毫磁波逶避大气波导蕊攘，囊瑷导簸王 作区域比罗兰c 大得多，建8 个地面导航台就可以全球覆盖。但导航精度都不简。 子午仪( t r a i l s i t ) 、全球定位系统( g p s ) 、全球卫黛导航系统( g l o n a s s ) 、北斗 黢釜定位霉靛系统等受曩蒸每靛系统，氇称卫星导簸系统。 卫星导航定位是指利用卫星导航定位系统提供的位置、速度殿时间等信息来 党成对各种嗣标的定位、导航、监测和管理，具有范围广、全天候、连续、宴时 戆精确导靛奄裳整籍力。嚣蔫，鞋全臻愆位系统漆p s ) 为氛表戆歪鬃每靛应矮产渡 融成为国际公认的八大无线产业之一。卫星导航正在发挥其愈来愈犬的作用，“其 作用只受想象的限制”。 1 2 卫星导航系统 一美躁予午议卫星彤舷系统1 2 】【3 】 也称海军学靛卫星系统( n a v yn a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m - - n n s s ) 是世界上 最早研制并试验成功的卫凝导航系统。1 9 5 8 年美国约翰霍普金斯大学应用物理嶷 骏室杰对翦苏联发碧| 豹第一颓入造卫墩逑行观测时发理逮嚣接收游熬建置一定 时，在卫星邋j 霆接收站褫界的时闻内，所接收无线电信号的多普勒频移曲线与卫 嫩的轨道有对应关系a 意味着固定于地面的接收站，只要测褥卫星的多普勒 频穆基线，裁掰以确定卫鼹皴道。复之，若卫星运行辘遂基知，壤攥多善赣频移 昭线，便能确定接收站在蛾面的位置。予是提出研制卫星导航系统的建议。1 9 6 4 西北工业大学颈士学位论文 北斗卫星和伪卫星组合定位系统研瓮 年该系统正式投入使用，6 7 年提供民用。 子午仪系统能够在全球范围内，全天候提供二维( 经度、纬度) 定位，在远洋 船舶导航和海上定位服务等方面获得了广泛的应用。但它在实际应用方面有着严 重的不足：一方面多普勒定位，接收机需要观测1 5 次合格的卫星通过，才能达到 l o r e 的单点定位精度，不能给用户，尤其高动态用户提供实时定位：另一方面， 卫星运行轨道较低( 平均约1 0 7 0 k i n ) ，地球引力场、大气阻力等误差大，难以精 密定轨，从而限制了定位精度；另外不能定高程。这一系统多用于对惯性导航和 其它无线电导航系统进行精确修正。 一全球定位系统g p s g p s 利用卫星的测时和测距进行导航，是一种全球、全天候、连续高精度的导 航系统。能够连续提供三维位置、三维速度和精确时间。c a 码定位精度为1 0 0 m 左右，p 码定位精度1 0 m 左右。g p s 采用码分多址c d m a ，根据调制码来区分不 同卫星，载波频率相同，均为l 1 = 1 5 7 5 4 2 m h z 和l 2 = 1 2 2 7 6 m h z 。 g p s 由三个独立的部分组成：( 1 ) 空间部分：2 1 颗工作卫星，3 颗备用卫星。 ( 2 ) 地面支撑系统：1 个主控站，3 个注入站，5 个监测站。( 3 ) 用户设备部分： 接收g p s 卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航 和定位工作。g p s 接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。 g p s 的基本定位原理是：卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息，用户 接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和 时间信息。 一前苏联的g l o n a s s l 3 1 g l o n a s s 即g l o b m n a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ( 全：球导航卫星系统) ，系统的卫 星星座由2 4 颗卫星组成，均匀分布在轨道倾角为6 4 8 。高度为1 91 0 0k m 的3 个近 圆形的轨道平面上，轨道高度1 9 1 0 0 公里，运行周期1 1 小时1 5 分，轨道倾角6 4 8 。 与g p s 系统不同的是g l o n a s s 系统采用频分多址( f d m a ) 方式，根据载波 频率来区分卫星。每颗g l o n a s s 卫星发射的两种载波的频率分别为 l 1 2 1 ，6 0 2 + 0 5 6 2 5 k ( m h z ) ；f 【 l 2 = 1 ，2 4 6 + 0 4 3 7 5 k ( m h z ) ，其中k = l 2 4 为每颗卫星的 频率编号g l o n a s s 卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：s 码和p 码。俄 罗斯对g l o n a s s 系统采用了军民合用、不加密的开放政策。g l o n a s s 系统单 3 型三鉴塑鑫鲨鳖。，一一。，一，。，耋邕盟塑鏊至鎏坠 点定燕耪度零乎方囱为1 6 m ，垂蛊方灏为2 5 m t 欧洲g n s s ： 国际上对导航的策略观点综合起来有三个方面。是尽可能浆用星基导航系 绞驭我陆蒸鼯靛系统，以达到最大约效蕴裁本魄；= 建不麓蔹纛囊憩嚣军方控捌 的卫星系统米实现本国的释航；三是稳潼切实。欧滩各国计划分两阶段实现这 目标。目前疆处于第一阶段( g n s s 1 ) ，即发展各国围内的或区域憔的导航系统。 其主要痰骞怒零l 建瑶毒系统镶；g p s 或g l o n a s s ) 进露嚣域瑷强，这是过渡为鬏终 强标( o n s s - 2 ) 的第一阶段。第二阶段( g n s s 2 ) 是建囊一个在国际控制下的民间卫 星导航系统( g n s s ) ，它熊戍用于飞行的所有阶段，其中包括各类避场及降落着陆。 这襻g n s s 麟霹浚歇区域蕊澎进蘧扩震娥全臻系统。这在燕珞主、缌织农集爨上绣 较有利。 作为g n s s - 1 的一个例子就是的欧2 i f 静止卫星导航服务( e o n o s ) 。e g n o s 怒对 溪骞豹g p s 5 9 l g l o n a s s 豹鬟基增强系绫，帮羁震罄斑里星主要嚣国致溯范垂凌戆 航空、海上和陆地导航掇供服务。e g n o s i = , 于1 9 9 5 年启动，它鼷脊三种功能的服 务，即测距服务、完善性广播和差分修难服务。 欧澜第二代翌星导舷系统g n s s - 2 被会塞为”囊睡裂旗”系统，它瓣 受诗预诗褥避 免g p s 的一个夔大缺点，即g p s 的功率低，而且容易鼹到干扰与欺骗的闯题，邀怒 g p s 不能用作民用航空唯一导航措施的决定性因素。f a a 现在承认，g p s 始终糯溪 骞蚤诠，或纛是竣溪毪霉靛系统箨魏套徐，或者采鼷撼蘑设备，羹罗兰( l 0 i 渔n ) 的备份信号。这一弱点在很大程度上打消了早期只簧使用局域增强系统( w a a s ) 或广域增强系统( l a a s ) 就可取消地顽导航设备的希望。伽利略系统独立于g p s ， 频段分嚣，缀爨与c a p s 系绕兼容窝耱囊搽童# ，毽话霹鹅基准稻溅逡辍标系统、楼弩 结构以及两瀚的联合使用。 ”伽利略”卫星可能采用不丈窖易受于扰的功率较离的信号，丽烈最终可提供唯 导靛接藏e ”秘秘臻”夔缝筏还痘龛诲灸安全淫攫关键瓣应磊，翔凝磊靛窆在6 移 钟内提供所蒙求的导航卫鼹故障识别信号。而且还在考虑在其上安装一个专门 的供通信使用的有效载荷。 _ 嚣饕淑星寻靛定豫系统 4 西北工业大学硬士学位论文 北斗卫星和伪卫艇组合定位系统阱究 双星导靛定位系统为我蓬“丸五”立颈，其工糕代号戈“l 砖一号”，是我销 楚我国独立研制开发的，众天候、高精度、区域性的卫星导航定位通信系统，研 实现快速导航定位、双向简短报文通信和授时3 大功能，其中后两顼功能是g p s 所 琴戆提供戆。 北斗双麓导航定位系统是本课题研究的重点，将在下一节中详细介绍。 1 ，3j 斗双星导航定位系统 美国的g e o s t a r 公司夜1 9 8 3 年提出一种卫星导航系统，采用分布在赤道上窳， 阉距为3 0 度6 0 度豹两颗地球网步卫凝进行定位秘强航，美国联郝避辖委员会f ce ，称这种技术为卫鼙笼线电测定渡务( p 国s s ，r a d i od e t e r m i n a t i o ns a t e l l i t e s e r v i c e ) 。我囡在1 9 8 3 年，有关卫星专黎亦提出了与g e o s t a r 系统相类似的设想， 称为双星定位导航系统。农2 0 0 0 年l o 月3 1 日和1 2 月2 l 骞发射两颗“北斗罨簸 试验卫星”，2 0 0 3 年5 月2 5 墨发射了繁三颗卫星作淹备份卫星。 双星系婉作为我国自搬开发的导航卫星，具有完全的独立性，它利用两颗地 球同步卫星的岂知位置秘特测站大地凝程进行定披。和全球定靛系统g p s 秘 g l o n a s s 籀玩，北斗导航系统花费较少；利用率裔这1 0 0 ：叠熬测鞔精度对予 导航定位精威没有显著影响，适用于经济不发达地区的开发和使用。 北斗导航系统采用和g p s 稿似静体制帮技术，酆分为空阕郝努、遗瑟篮测翻 数据处理，越及蘑户接收枫兰大部分。托斗导航系统和全球定位系统的显著不阊 憋卫星星座的空间分布，谨所采用的伪随机噪声码序列和捕获方溅、载波频率和 鼹频率、导靛邀文豹调裁及编筠、用户熬定位解算瞧不同。 双星系统碍为服务区域内用户提供垒天候、商精发、快速实辩的定位服务， 疑定位精度优于2 0 米，定位可在一秒内究成。并且北斗用户终端舆有双向数字掇 文邋售功能，鹚户一次可以传送1 2 0 个汉字戆售患。被星系统具露攀淘双淘嚣秘 授时功能，可拖供l o o n s 单向授时和2 0 n s 双向授时的时间同步精度。 1 ，3 1 系统组成 空间卫星 空间卫星部分由3 颗距地面约 3 6 0 0 0 k m 的地球同步卫星组成。北斗导 航系统在国际电信联盟登记的频段为卫 星无线电定位业务频段，上行为l 频段 ( 频率1 6 l o 1 6 2 6 5 m h z ) ，下行为s 频 段( 频率2 4 8 3 5 2 5 0 0 m h z ) 登记的卫 星位置为赤道面东经8 0 度、1 4 0 度和 1 l o 5 度( 备份卫星) 。 空间卫星的任务是完成中心控制系 图1 1 双星定位系统组成框图 统和用户收发机之间的双向无线电信号转发。卫星上主要载荷是变频转发器、s 波 段天线( 两个波束) 和l 波段天线( 两个波束) 。 地面中心控制系统 地面中心控制系统( 简称中心站) 是双星导航定位系统的控制和管理中心， 具有全系统信息的产生、搜集、处理与状况测控等功能，它主要由信号收发分系 统、信息处理分系统( 包括定轨子系统和加密子系统) 、时间分系统、监控分系统 和信道监控分系统等组成。它的主要任务是：产生并向用户发送询问信号和标准 时间信号( 即出站信号) ，接收用户响应信号( e l l a 站信号) ：确定卫星实时位置， 并通过出站信号向用户提供卫星位置参数；向用户提供定位和授时服务，并存储 用户有关信息；转发用户间通信信息或与用户进行报文通信；监视并控制卫星有 效载荷和地面应用系统的状况；对新入网用户机进行性能指标测试与入网注册登 记；根据需要临时控制部分用户机的工作和关闭个别用户机；可根据需要对标校 机有关工作参数进行控制等。 一切计算和处理都集中在中心站完成，中心站是双星定位系统的中枢。 一 用户终端 用户终端部分由信号接收天线、混频和放大部分、发射装置、信息输入键盘 和显示器等组成。主要任务是接收中心站经卫星转发的询问测距信号，经混频和 放大后注入有关信息，并由发射装置向两颗( 或一颗) 卫星发射应答信号。凡具 6 有这种应答电文能力的设备都叫用户终端，又称为用户收发机。根据执行任务的 不同，用户终端分为通信终端、卫星测轨终端、差分定位标校站终端、气压测高 标校站终端、校时终端和集团用户管理站终端等。 1 3 2 双星系统工作原理和定位过程 双星导航定位系统工作原理从几何角度阐述如下： 如果分别以两颗卫星为球心，以卫星到待测站的距离为半径作两个大球。因 为两颗卫星在轨道上的弧度距离为6 0 。( 备份星离两颖星都约为3 0 。) ，即两颗卫 星的直线距离约为4 2 0 0 0 k m 之间，这一直线距离小于卫星的到观测站的两个距离 之和( 约为7 2 0 0 0 k i n ) ，所以两个大球必定相交。它们的相交线为一大圆，称之为 交线圆。由于同步卫星轨道面与赤道面重合，因此，通过远离赤道的地面点的交 线圆必定垂直穿过赤道面，在地球南北两半球各有一个交点，其中一个就是待测 站。但是，地球表面不是个规则椭球面，即用户一般不在参考椭球面上，要唯 一确定待测站三维坐标，还必须事先给定待测站地面点的大地高才能唯一地确 2 图1 2 北斗卫星定位几何愿理 定待测站，如图1 2 所示。 过待测站的交线圆与待测站水平面不一定总相交，有时可能相切( 赤道上) 或近似重合( 赤道附近) 。当交线圆与地球表面垂直相交，交会出的测站唯一，定 位精度高；当交线圆与地球表面缓慢相交，交会出的测站纬度值将会有很大的误 差，定位精度差。由于地形的复杂性，即使在中纬度地区山区也可能产生交线圆 与地球表面缓慢相交，这些地区称为双星定位的“模糊区”。另外，因为地球同步 卫星只能覆盖南北纬8 1 。之间的区域，所以8 1 。以上区域是双星定位的“盲区”。 盲区和模糊区的存在是双星定位几何上的弱点。 考虑到高程异常误差以及制图过程、数字化过程误差，一般认为由高程数据 库提供的大地高误差在平坦地区为几米到十几米左右，在地形起伏大的不规则地 区，高程误差将迅速增大，可达几十米。因此，高程误差成为限制地球同步卫星 定位系统定位精度的主要因素之一。 双星定位系统的工作基本过程为：中心站定时向两颗卫星发射询问测距信号， 用户接收和响应经其中一颗卫星转发的这一信号，并由发射装置向两颗卫星发射 响应后的信号，中心站的接收天线分别接收经两颗卫星转发的响应信号就可测得 传播时延，再加上卫星星历和备有的数字高程模型，便可迭代计算出用户的三维 坐标。信号传递过程为： e _ 屯一u s e r 寸咒1 ，最2 斗e 其中e 表示中心站，疋。，配：表示两颗地球同步卫星，u s e r 表示用户，& 表示 用户单收信号的卫星。观测方程为： 盖：墨：= 竺： 其中，q 为中心站测得的往返观测量， ( j = 1 ，2 ) 的距离，下标i 为卫星号。 嘭和日分别是中心站和测站到卫星j 最后，中心站将定位结果通过用户响应的卫星发送给用户，用户接收这一信 号就可得到自己的位置信息。 1 _ 3 3 信号传输时间的测定方法 双星定位系统采用的是直接序列扩频( d s ) 技术。直接序列扩频系统简称直扩 系统，是直接用编码序列对载波进行调制的系统。直接序列扩频中用的编码序列 通常是伪随机序列( p n 码) 。而要传送的信息经数字化后变成二元数字序列，它和 伪随机序列模二相加后成为复合码去调制载波，通常，伪随机序列的速率是信息 速率的几十到几百倍，因此，它与信息码模二相加后再调制载波，相当于将信息 速率人为地扩大了数百倍，在频谱上则是将原来的窄带谱人为地扩展了数百倍。 因此，该类系统被称作扩频系统。在直接序列扩频系统中，通常对载波进行相移 键控调制( b p s k ) ，然后由天线发射出去。而在接收机中，要有一个和发射中的伪 随机扩频码同步的本地码，对接收信号进行解扩( 也叫缩谱) ，即将发射机中人为 展开的宽度信号重新还原为窄带信号。解扩后的窄带信号送到解调器取出传送的 信息。直扩系统的扩频、调制和解调解扩电路模型如图l - 3 所示。 b ) 接收机 图1 3扩频系统电路示意图 中心控制站通过测量信号的空间时延计算距离，为了准确计算出用户坐标， 中心站要精确测量信号总时延图，而且事先要测试卫星和每台接收机的双向设备时 延。所谓双向设备时延指的是信号在正反向传播( 中心控制站- 3 2 星- 用户机 卫 星 中心控制站) 过程中所经设备的总时延。信号总时延减去总的设备时延就是在 空间传播的传播时延。根据信号的空间传播时延以及对流层和电离层折射时延修 正值就可以算出用户机到两颗卫星的距离，进而计算出用户的坐标。 为了精确测量信号的总时延，必须对扩频卫星信号进行精确的捕获跟踪。如 果中心站发射的载波或扩频序列与信息比特的开始时间有确定关系，当用户机载 波和p n 码对卫星信号实现了精确捕获与跟踪时，就能解出导航定位数据帧。接收 机在接收到的数据帧中加入定位申请识别信息，然后再将该数据帧发送回中心站， 中心站也要对接收到的定位申请信号进行精确捕获与跟踪，当中心站对定位申请 9 信号实现了精确捕获与跟踪时，解出定位申请数据帧，并且根据捕获到的载波或 p n 码的相位确定接收到的数据比特的准确时间，然后将定位申请数据帧与发送帧 进行比较，根据帧号，p n 码相位和载波相位计算出中心站发射的定位数据帧经过 卫星、用户接收机，再返回中心站的精确时延，总时延等于整帧时延加上小数帧 时延。因此，双星定位系统能否事项精确定位归根到底取决于中心站和用户接收 机能否捕获卫星信号并实现高精度的跟踪。 1 3 4 双星系统的特点 双星导航系统与其它卫星导航定位系统( 如g p s 系统) 相比具有自己的特点。 优点： ( 1 ) 仅用两颗卫星就可以进行导航通信，资金投入少；同时由于采用静止 卫星，可以对大覆盖区内的用户进行2 4 小时的全天候实时定位，支持覆盖中国及 周边国家和地区。 ( 2 ) 双星系统可以实现快速导航定位、双向简短报文通信和定时授时三大功 能，其中后两项功能是全球定位系统( g p s ) 所不能提供的。由于同时具备通讯功 能，无需其他通讯系统，可以独立完成移动目标的远程定位与监控调度功能。 ( 3 ) 用户设备比较轻便、操作简单，价格低廉，导航定位数据完全由中心站 计算完成，地面基准站可以对用户进行指挥和调度。特别适合集团用户大范围监 控与管理和数据采集用户数据传输。 ( 4 ) 采用数字地图，用户数据修正等措藏后，系统具有较高的定位精度，其 定位精度一般为1 0 米至几十米，在我国地区与g p s 定位精度相当。 ( 5 ) 北斗导航系统由我国自主控制，而g p s 系统则是由美国军方控制。北斗 提供高强度加密设计，更安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。 ( 6 ) 双星系统应用融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，提供更 丰富的增值服务自主系统。卫星增强系统指北斗卫星同时用作g p s 广域差分系统， 可使受s a 干扰的g p s 民用码接收机的定位精度由百米量级修正至米级。 同时该系统也存在局限性： ( 1 ) 系统采用的是有源工作方式，这种方式易使系统受到干扰，并且导致用 1 0 户定位数据更新率变低，不能满足商机动用户的要求，限制了系统的用户数目。 用户需要发射信号，不利于隐蔽，遮对军事用户挖萁重要。 ( 2 ) 盘予系统采髑集孛式譬鬓，扶瑟导鼗该系统麦苇点系缓，一星孛一被毁 坏，将导致整个系统獬痪：同时由于所有用户的定位都是在中心站完成，这对中 心站设备的处理能力要求极高，而殿也导致定位数据有较大豹滞后误差。 ( 3 ) 它只是一秘= 维定短系绫，零要遗嚣囊疆数攥瘁敲蛰宠孝鼗磺定患蠡冬零 平坐标。对空中运动的目标，如飞机、导弹、卫缀，都不适意采用。 ( 4 ) 一次定位时间至少需o 6 s ，不能连续导航，因此，不适合于高速遮动目 器静定彼及寻簸。其定蕴精度与g p s 锈距法稳娄，达不鬓g p s 载波鞠建法c l r l 缀 的精度。 ( 5 ) 赤道卫星只熊覆盖南、北8 l 度，8 l 度以上是盲区和死角。 秀了凝渚该系统魏第熹整，霹将定整诗算戆处瑾器分鼗爨器令矮户撬，毽这 样为了定靛解算时两颗卫星的观测激将不充分，必须引入其他的观测量：数字地 图虽有很好的定位精度，但限制了其使用区域( 光数字地图的区域) 。而高度观测 量，瑟褰发表戆溺塞臻声又笼较大，簸嚣导致定佼糖度大摇魔鬻抵。 为了满足高机动用户的定位要求，势必要减小用户定位时间间隔，这样不仅 限制了用户数目的上限，而且目前的工作机制也难以做到这一点。 1 4 伪卫星方案的提出 鉴予憩斗导舷系统靛缺点，借撩g p s 导航瓮使熬原理，本文提出了采爆愧卫 星技术的改进方案。 伪卫凝即在局部地域地面或空中平台上建立类似于空中卫熙的固定基凇站， 露使卫星瓣功能。伪羹麓技术并不怒一个裁鲍壤念，在g p s 羹爨发射之蘩，人髓 就使用安装在沙溪试验场中由上的伪卫星来检验g p s 可行性。 d k l e i n 和b w p a r k i n s o n 最早提出了伪卫星可以在某些对定位精度离要求的 场合( 魏飞搬进场着躲黪舷) 中传为一静毒曩豹辕联王具，照寒增强g p s 封建瞧 和几何特能“1 a 这篇先瓤佳的文章融经提到了伪激星实际应用中的远近场的闯题。 p a r k i n s o n 和f i t z g i b b o n 提出并论诞了一种距离修正伪卫星设谶地点最优配援的 西北工业丈学硬士学位论文 北斗卫星和伪卫星缀台定位拳绕拜兜 ! 目e 目e 自擀自s | 目e ! _ i i i i i i i 巴 方法“。阂外对用于配合g p s 的伪卫星有了一瓮的研究，并融投入了实际威用， 在飞机谶场高精度导航、g p s 抗干扰、在载波测量簿法中快速解算整周模糊殿等多 方垂季譬至广泛应用。鸯荧资粒显示，美国在伊控嶷藏争中，镑j i 壹g p s 子挽爨，在 无入机上安装了伪卫越发射机，从太空捕捉微弱的g p s 信号，并将信号放大后中 继给较近距离的导弹或地面部队，棚当于在伊控党上空创造一个微型g p s 慰座， 款褒大覆发土增强了g p s 静挠手挽拣。 但簦予北斗双星嚣航系统的伪灏星技术方聚还是一个比较新的课题。本文提 出的改进方察如图1 , 4 所示。该方案中在地面提前精确测定的俄置上安置伪卫星基 菇，魏翌麓臻逶蓬援孵技术与l 斗受麓 精确时间同步后，按类似于北斗卫星的 信号格式发射导航信号，接收机同时接 浚蘧立 受壤秽蘩至星镄号劳遴簿定绽 解算，实现动态区域光源定位，达到焚 似于g e s 的定位效果。这个新方案一 方嚣继承了双星系统瓣撬鑫，舅一秀巍 尽量修正藏不足，具有广阔的应用前景 和很强的研究价值。 匿1 。4 浚避穷案示意髫 在嚣域定链孛翻麓上逐技零其蠢下列撬势：溺户设备戆跌伪至藿获褥鬻 翱豹 伪距测量，改善了导航几何配置；该技术克服了聃纯地利用北斗导航卫星定位的 用户必须发射信号不利于隐蔽的缺熙。可以用于军事部门或其j 露保密活动的用户； 不毒器簧旋蔚翔遭毫稔嵇惑，数字戆穗魏辖动不辩是必须懿，遥会空孛豹遮劝用 户目标；用户机只需避行适当改动就可以同时接收北斗卫星信母和伪卫星信号， 不必再设鬣另套接收灏准站信号的设备。对空中用户显著提离了垂直定位精度。 空孛曩岁器到豹卫星慧蹩在笼平线苏上，焉筠翌麓在冀遣平线下，所戳璜黼伪卫 星能降低瓣直几何定位精度因子( v d o p ) ，从而大幅度提高了羹墩定位糟度。对空 中用户来说，垂直定位精度尤为重要，所以这种撼离是十分有意义的。 实瑰j 斗导靛至鼙巍傍至星缝合鹣技零器簧解获戳下阉熬：了缮嚣斗静靛系 统随时的发展状况；选择与实现合适的高精度的导航定位算法；用户机性能与伪 两北工业大学倾l 学位论文 北斗世星和伪卫星组合定位系统研究 统随时的发展状况；选择与实现合适的高精度的导航定位算法；用户机性能与伪 卫星技术和北斗导航卫星的匹配：伪卫星远近场效应对卫星信号的干扰问题；伪 卫星基站的最优布局；伪卫星与北斗卫星的时间同步；伪卫星基站硬件设计等。 1 5 本论文研究思路及工作安排 本论文主要研究基于北斗卫星和伪卫星技术的定位系统，第一章介绍了双星 导航定位系统及伪卫星的概念，提出本课题的研究方案。第二章对导航定位算法 进行分析研究和仿真。第三章对伪卫星技术在实际应用中特有的问题，包括远近 场干扰、伪卫星与北斗卫星的时间同步等进行了研究，设计了伪卫星基站硬件结 构，对现有接收机用于同时接收伪卫星信号进行了功能调整；并综合干扰、定位 精度因子等因素研究了伪卫星基站的优化布局和合理配置。第四章分析了伪距误 差和射频干扰以及它们的消减和预防措施，给出了定位精度的大致估计。第五章 是对本研究所做工作的总结和体会。课题的难点在于伪卫星的远近场效应和优化 布站。 西北工业丈学硕士学位论文 北斗卫星和伪卫星组合定位系统研究 第二章定位原理和算法 2 1 伪卫星系统定位方案及定位原理 北斗导航卫星支持下的伪卫星技术借鉴了g p s 导航定位的原理。在地面上合 理布置伪卫星站，位置提前精确测定。用户接收机同时接收北斗信号和伪卫星信 号，实现快速精密定位。当设置两颗及两颗以上伪卫星时，就同北斗卫星一起形 成了类似于g p s 的四星定位系统。接收机同时测定至4 颗卫星( 伪卫星) 的距离， 方法是测量卫星发射电波至接收机接收到电波的时间差f ，乘以光速c 求得距离 d ，即 p = c 口= c ( t ，一)( 2 1 ) 式中， f ，为接收机接收的时刻，t 为卫星发射电波的时刻。统一采用原子时系统， 由于卫星钟和接收机时钟与标准时不完全同步，都存在钟差，设其分别为f 。与 f ，实际测得的时间差包含有钟差的影响，为 f = ( f ，+ a t ，) 一( f 、+ a t ，)( 2 - 2 ) 卫星钟差由地面监控系统测定，并通过导航电文提供给用户，可以认为是已 知值，所以实际测得的距离应为 p = c f = c ( t ，一i ) + c a t r = , o + c a t ，( 2 - 3 ) 因为距离观测值p 中包含了接收机钟差引起的误差，而不是接收机至卫星的真正 距离p ，故称其为伪距观测值。 一般用户很难( 也没有必要) 以足够的精度测定接收机的钟差，可以把它作为一 个待定参数与接收机的位置坐标一并解出。 将( 2 3 ) 式写为 p = ( 戈一，) 2 + ( y r ) ! + ( z z ，) 2 + c a t ，( 2 4 ) 西北工业大学硕士学位论文 北斗卫星和伪 ! 星组合定位系缔丹咒 式中j ，】，) ，z ，表示第j 颗卫星在地球协议坐标系中的直角坐标，它们可以利 用卫星发播的导航电文中给出的卫星位置信息经计算得到，故可以认为是已知量。 而x ，y ，z 为接收机在同一坐标系中的位置坐标，与接收机钟差同为待求量。共4 个未知参数，只须对4 颗卫星同步观测，获得4 个伪距观测值p ，0 = l ，2 ，3 ，4 ) 。 组成4 个方程式，通过解算即可解出接收机位置( x ，y ，z ) 和钟差 ，。 以上即是四星定位的基本原理 1 。可见，用户通过接收机对不少于四颗卫星 进行伪距测量，然后利用导航电文提供的卫星位置和伪距观测值，即可以解算出 按收机的位置。实际应用中，伪距是利用调制在载波上的伪随机噪声码测得的。 合理设置几个伪卫星基站，可以将其中一颗伪卫星作为差分基准站，组成差 分定位。利用已知的差分基准站精密坐标计算出差分伪卫星站到卫星的距离，与 观测伪距比较得到改正数，并将这一改正数实时发送出去。用户接收机利用接收 的伪距改正数，对各个卫星的伪距观测量进行改正。再利用改正过的伪距进行定 位计算，求解出精确的用户接收机的位置。由于这种改正能将公共误差抵消，例 如卫星时钟偏差、星历误差、电离层误差、对流层误差等，从而大大提高定位精 度。 伪卫星方案同g p s 导航定位的原理相似，下面借鉴g p s 解算方法，对用伪距 观测值单点定位算法及差分法和载波相位技术等来进一步提高精度的算法进行详 细分析。 2 2 伪距单点定位算法 2 2 1 定位算法 伪距和待定位物体的位置参数( x ，y z ) 之间的函数关系式为： 日= 肛i 再瓦而可i 了”a t 一纠( 2 - 5 ) 式中，岛为第j 颗卫星的伪距观测值；其中( 一，y j ，乃) 和分别是第j 颗卫星的 位置和钟差，均可自导航电文获得，为已知值。( x ，y ，z ) 及是接收机位置坐标 西北工业大学硕士学位论文 北斗卫星和伪卫星组合定位系统 阡究 及其钟差，为待求量。 ( 2 5 ) 式是个非线性方程，需要线性化。为此，取接收机的概略坐标为 ( x o ，气) ，相应改正数为( 缸，缈，a z ) 。将式( 2 5 ) 按泰勒级数展开并略去高次项 可得如下线性方程式 缸+ e ；缈+ 止一c , , t r = 劈一c 叫一日 ( 2 6 ) 其中= ( _ 一x o ) 2 + ( 一一) 2 + ( z ，一气) 2 是卫星至接收机的近似距离；( p ：，e ；，e ；) 是第i 颗卫星视线方向的单位向量，有 矧争。= 掣 乒c = 掣 沼， 乒c 誓驴等 在已知接收机概略位置( 而，y o ，) 和卫星位置( t ，乃，乙) 及钟差0 的情况下 ( 2 6 ) 式右边各项及左边各项的系数p 7 均为已知，今记 l i = 鹤一& ：一p j ， 【b = c - a t r 则对于四颗星，由( 1 - - 2 ) 式可以形成方程组 j u “一rc y j 掣- c ；j 业一b = l jj 2 l ，2 ，3 ，4 矩阵形式为a x = l 式中爿= z = ( 缸，缈，a z ，6 ) 7 上= ( 1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 ) 7 解( 2 - 5 ) 得到未知参数x 的解：x = a 一- l 1 6 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 以j d t e e 一，小，一， 蠢 西北工业大学硕士学位论文 北斗卫星和伪卫星组合定位系统研究 由于开始设的接收机概略位置( x o ，y o ，z o ) 可能有较大误差，这样，在进行方 程线性化时消去高阶项会引起线性化误差，另外，在计算卫星坐标时使用的时间 参数也不准确，这些均会引起未知参数解算误差，可用迭代法求得未知参数阵x 的近似精确解。即得到第一次解后，用它作为近似值再重新解算。事实上，这一 迭代过程收敛很快、一般迭代两次即可取得满意的结果。 当观测的卫星多于四颗时，可以按照最小二乘原理进行参数求解。此时组成 观测误差方程式 v k j m t 勺j 掣t j 止一b 一，= 1 ，2 ，n 或写为 矿= a x l( 2 1 1 ) 按最小二乘原理v 7 v = m i n ，组成法方程 一7 删= 爿7 三 可以解得未知参数 z = ( a 7 爿) 。1 a 7 l ( 2 1 2 ) 2 2 2 仿真结果 根据上述算法，编写了定位仿真程序，包括一次定位模式和接收机沿一定轨 迹运动时连续定位模式。结果比较吻合。对仿真结果分析可以得出： 当伪距误差、伪卫星位置布局等条件保持不变时，定位误差随用户接收机的 大地高程的变化如表2 1 所示。这里设定的两伪卫星的经纬高度分别为 ( e 1 1 0 ：0 0 ：0 0 ，n 2 3 ：1 8 ：0 0 ，1 0 0 ) 和( e 1 1 0 ：0 0 ：0 0 ，n 2 3 ：0 0 ：0 0 ，1 1 0 ) ，接收机经纬 度为( e 1 1 0 ：3 0 ：0 0 ，n 2 3 ：0 6 ：0 0 ) 。伪卫星定位精度跟接收机高程影响不大，且随高程 增加定位精度略有提高。可见本方案不再像双星定位系统那样受高程限制。 表2 1 定位误差随接收机高度的变化 l 接收机大地高( 米) 1 01 0 0 5 0 08 0 0 1 0 0 02 0 0